г
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава I. Эволюция представлений о сдвиговой прочности и внешнем трении грунтов 9
1.1. Состояние вопроса 3
1.2. Этапы эволюций воззрений о внешнем трении грунтов ^
1.3. Выводы 2-Ъ
Глава 2. Использование закона сохранения энергии для анализа процесса внешнего трения ^
2.1. Общие замечания ' 2Я
2.2. Современные представления о природе внешнего трения и способы его выражения
2.3. Выводы з?
Глава 3. Экспериментальное исследование фрикционных-свойств грунтов по акустической эмиссии из области фрикционно-сдвигового контакта 38
3.1. Общие замечания зв
3.2. Методика исследования фрикционных свойств фунтов по акустической
ЭМИССИИ ЗУ
3.3. Выводы 30
Глава 4. Исследование фрикционных и прочностных сдвиговых характеристик грунтов на основе закономерностей внешнего трения 31
4.1. История вопроса 31
4.2. Экспериментальные исследования фрикционных и прочностных сдвиговых характеристик грунтов 53"
4.3. Выводы 65
Глава 5. Определение условий устойчивости пород на базе структурной модели, учитывающей сдвиговые и фрикционные свойства 30
5.1. Состояние вопроса . 90
5.2. Определение условий устойчивости пород в подземных выработках 32
5.3. Определение критериальных условий прочности блока вывала 406
5.4. Выводы 444
Заключение 44 6
Литература <45
З*
Введение
Фрикционные1 и прочностные сдвиговые свойства различных по своей природе тел и, в частности, грунтов являются одним из основных показателей, характеризующих их общие физико-механические свойства. Их изучению посвящены работы многих как отечественных, так и зарубежных учёных. Вопросы сдвиговой прочности пород исследовались Т. Карманом, Р. Бекером, П. Бриджменом, И. Бойдом, Б.П. Робертсоном, А.Р. Декстером, Ф. Берчем, H.A. Цытовичем, H.H. Масловым, Г.И. Покровским, Н.13. Коломенским, Л.И. .Кульчицким, С.Н. Чернышёвым, P.C. Зиангировым и др.
Общая физическая природа внешнего трения и фрикционные характеристики различных материалов изучались в фундаментальных работах В.Д. Кузнецова, Б.В. Дерягина, A.C. Ахматова, H.A. Буше, И.В. Крагельского, М.М. Хрущова, В.Н. Кащеева, А.ГІ. Семёнова, Н.Б. Дёмкина, A.B. Чичинадзе, P.M. Матвеевского, A.A. Силина и др., а также в трудах их зарубежных коллег В. Гарди, Г.А. Томлинсона, Ф.ГІ. .Боудена, Д. Тейбора, Г. Фляйшера и др.
Что касается собственно фунтов, то необходимость глубокого исследо -вания их фрикционных и сдвигово-прочностных свойств диктуется прежде всего тем, что они играют первостепенную роль и должны учитываться в строительстве и, в частности, при устройстве фундаментов [1], железнодорожного земляного полотна [2J, а также при движении транспортных средств по различным дорожным покрытиям [3J, при проходке шахт и штолен [4] и во многих других случаях повседневной инженерной практики.
В последние годы приобрели особенно широкий размах исследование поведения грунтов под нагрузкой, изучение природы их прочностных и деформационных свойств, реологических свойств, а также изменения этих свойств при изменении физико-химических условий окружающей среды. Важ-
1 Фрикционный,-т.е. связанный с диссипацией (рассеянием) кинетической энергии относительногдвижения трущегося тела в другие немеханическис её ^к>рмы.
//
своих результатов с теорией Мора. Однако огибающие предельных кругов у обоих авторов получились несколько различными. Это различие Р. Бёкер объяснил влиянием среднего главного напряжения а2, т.е. тем, что в его опытах и в опытах Т. Кармана вид напряжённого состояния был различным. С подробным анализом результатов опытов Т. Кармана и Р. Бёкера можно ознакомиться в работах [24, 25]. К настоящему времени установлено, что отклонение результатов опытов от теории Мора не превышает 15-И7 % [5, 25].
В тех случаях, когда необходим учёт вида напряжённого состояния, принято пользоваться безразмерным параметром Лоде-Надаи V, позволяющим выразить величину промежуточного главного напряжения а2 через величины обоих крайних главных напряжений а*, аз [5, 23, 27]:
2(Т5 I -<т3 . . - .
у = 1----!----1 , -1 < V < 1 .
<7|-С7з
Каждому значению V в указанных выше пределах соответствует свой вид, или тип, напряжённого состояния. Так, при чистом сдвиге, когда о, = - а3, а2 = О, V = 0 для трёхосного напряжённого состояния, если а2 = аз, V = -1 и т.д.
Общей чертой всех рассмотренных выше критериев прочности служит то, что они являются теориями предельного состояния. Это означает, что явление разрушения породы ими рассматривается как критическое событие, которое наступает при достижении действующим напряжением (или иной механической характеристикой) некоторого предельного критического значения.
По такой без учёта временного фактора чисто механический статический подход, к сожалению, не учитывает кинетической природы разрушения пород, проявляющейся на опыте [28]. Влияние времени на прочность проявляется в её зависимости от длительности пребывания исследуемого материала в напряжённом состоянии. Это влияние обнаружено у всех, без исключения, исследованных твёрдых тел самой разной природы: у монокристаллов галита, силикатных стёкол, различных горных пород, металлов, полимеров и других материа-
//£
лов. Систематические исследования по изучению физической природы механизма кинетического разрушения тел, находящихся под нагрузкой, впервые были начаты С.Н. Журковым и его сотрудниками [28, 2 ].
С изучением предельного напряжённого состояния пород тесно связано исследование проблемы перемещения грунтовых масс на склонах в природных условиях и при образовании вывалов в подземных горных выработках, а также изучение проблемы их устойчивости. Первые работы здесь принадлежат основоположнику теории предельных напряжённых состояний III. Кулону [30], который не только сформулировал основные положения предельного равновесия грунтов, но и применил их к определению давления засыпки, ограниченной горизонтальной плоскостью, на вертикальную подпорную стенку. Следующий шаг был сделан В. Ренкиным [31], рассмотревшим предельное равновесие бесконечного массива, ограниченного наклонной плоскостью. В. Ренкин впервые ввёл понятие о поверхностях скольжения и нашёл предельное условие для оценки устойчивости оснований. Среди современных учёных, внесших заметный вклад в теорию равновесия грунтовых сред и применение её в инженерной практике, следует упомянуть Н.М. Герсеванова [32], П.П. Пузыревского [33], В.Г. Березанцева [34], В.В. Соколовского [35], А.Н. Зеленина [36].
В течение длительного периода в науке• господствовала "механистическая" точка зрения на причинную связь процессов, происходящих в массивах горных пород при строительстве подземных сооружений. Однако фактический материал наблюдений, накопленный в последние десятилетия, не только не позволил как-то подтвердить правильность выбранных ранее концепций, а, наоборот, послужил основой для утверждения их несостоятельности. Появилось новое - структурное толкование развития инженерно-геологических процессов при строительстве туннелей, которое зародилось в работах М.И. Ев-докимова-Рокотовского, А.Ж. Машанова, П.П. Пашокова, Е.М. Пашкина [4]. В частности, Е.М. Пашкиным [4] сформулирована проблема управления устой-
- Київ+380960830922